首页 > 热点

基于喷气动力的iCub或将成为第一个飞行类人机器人

飞的机器人在科幻小说里不足为奇,不论是人形机器人还是外骨骼机器人,他们似乎都能向钢铁侠一样,从步行机器人变成一个飞行机器人,这主要得益于安装在其手脚上的助推器。

作者:A.D | 2017-09-08 09:49:13

能飞的机器人在科幻小说里不足为奇,不论是人形机器人还是外骨骼机器人,他们似乎都能向钢铁侠一样,从步行机器人变成一个飞行机器人,这主要得益于安装在其手脚上的助推器。科幻小说里满是这种高科技的东西,而思考这些事情又是非常有趣的,我们可以想象各种令人叹服的应用场景,甚至应用于对外星人的强制性打击和更普遍的反对抗行为。

事实上,这些科幻小说里的应用未来也可能成为现实。意大利技术研究所(IIT)的研究人员正在开发一种能够控制装有四个喷射引擎的iCub人形机器人的系统。

一个在手脚上装有喷气发动机的iCub机器人在空中悬停和飞行,这听起来似乎有点不可思议。但从根本上来说,这是另一种多模态运动,只不过是运用在了人形机器人上,而非我们平时看到的混合平台。很多飞行器都将飞行与其他运动结合起来,以提高效率和多样性,那么为什么不能把这种多模态运动应用于类人形机器人呢?事实上,现在有很多工作都在空中完成——无人机(或具有高度自由机器臂的无人机)直接与周围世界进行互动。但相比于无人机,仿真机器人更擅长操控程序。

来自于IIT的三位研究员Daniele Pucci、Silvio Traversaro以及Francesco Nori在一篇名为“开发一种欠驱动的飞行类人机器人控制框架的首要步骤”的研究报告中指出,“人形机器人和飞行机器人相结合能带来巨大的技术效益:结合这两种机器人特性的平台可能具有飞行能力、接触性运动和操控能力。”

截至目前,该研究团队仅构建出一个基本的控制框架,用以控制模拟机器人iCub的悬停和温和运动,该过程主要依靠喷气发动机的推力。研究人员并没有考虑空气动力学的影响,也没有考虑到iCub在实际飞行过程中需要处理的问题。但这些因素随后会被纳入研究范围。目前,该研究团队的目标是使用模拟实验来验证文本中所描述的控制算法对建模误差是否具有合理的健壮性,这对于最终构建真实机器人来说是十分必要的。

该研究团队的对iCub进行了两项仿真模拟构想:无定向/带方位控制的分段恒速轨迹和方位控制/非完全控制模型的螺旋形飞行。

飞天机器人.jpg

设计飞行机器人iCub的灵感来源于哪里?

Daniele Pucci:早在四年前,我初次来到IIT的时候就已经有这个想法。在我攻读博士学位期间,我开发了一种对飞行器统一的控制方法,在飞行器的底层是一个单刚体。因此,当我第一次看到类人机器人iCub的时候,我就在想如何在我的博士论文中扩展这个理论,如何将基于单刚体的假设扩展到多体铰链式飞行器,如iCub?因此,所有的想法从这个问题开始延伸。

人形机器人和飞行机器人相结合能带来怎样的技术效益?

Daniele Pucci:我认为两者结合将带来很多好处。首先带来技术效益。空中类人机器人能将空中操作扩展到更健壮和更节能的水平。事实上,目前大部分完成空中操作任务多由装有机械手臂的四轴飞行器来完成。这些飞行器不能借助与环境接触的力量来移动,而且在有风的天气需要耗费更多的动力,来确保在精确的位置完成操作任务。但飞行类人机器人的手臂可以在机器人和环境之间建立一个接触点,从而使机器人的位置控制更加简单和健壮。

其次,对社会带来好处。我认为空中机器人可以作为人类驱动飞行外骨骼的试验台。最近,英国发明家Richard Browning穿着自己发明的喷气式飞行服试飞,这表示在未来驱动外骨骼的工程具有可行性。然而,实现人类飞行的愿景还有很长的路要走,但是我们可以使用飞行类人机器人来推进这一进程,同时避免了人类大量的亲身试验。我们也邀请了Richard Browning参与讨论驱动飞行外骨骼,他对此也感到十分兴奋。

最后,对科学带来好处。在我看来,控制飞行类人机器人会面临一些理论和实践上的问题。例如,一个包含操纵、接触移动和飞行的一般控制框架仍然却是,在人形机器人接触移动过程中,其辅助设备(如喷气发动机)的作用还不是很清楚?机器人要以多快的步行速度才能更方便地打开助推器?如何处理飞行到步行着陆之间的平稳过度?

喷气发动机与iCub机器人相结合,是否在测试中能飞行成功?

Daniele Pucci:目前,我们仍然需要解决一些理论问题,比如机器人盆骨参考框架的集合(或者其他一般的机器人框架)。此外,我正在研究人形机器人的空气动力学,这对于其高效水平飞行时最基本的。而空气动力学的控制设计也将成为一个最大的理论问题。

但要在实践中发挥作用,其问题还涉及其他方面。如何选取喷气驱动,检查iCub在压力下的转矩控制,并验证惯性传感器在高振动下是否能正常工作,这些都是未来的主要挑战。目前,我们已经成立IIT研究团队,大大缩短了研究时间,但要确定具体的时间表,还要看我们项目资金筹集的进展情况。

 

【责任编辑:A.D】